底排密封片冷擠壓仿真分析

摘" 要：針對(duì)現(xiàn)有工藝所生產(chǎn)的底排密封片在儲(chǔ)存及使用過程中的缺陷，選擇冷擠壓工藝作為其成型工藝，基于仿真模擬設(shè)計(jì)合理的擠壓速度。首先使用Proe繪圖軟件對(duì)彈底部殼體結(jié)構(gòu)及密封片建立三維模型，再通過Deform-3D有限元軟件，對(duì)不同擠壓速度的密封片成型過程進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，得到密封片的金屬流動(dòng)圖、等效應(yīng)力圖和損傷值圖。仿真結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，擠壓速度越大，密封片填充底排殼體底部中心環(huán)形凹槽的過程越不可控，擠壓過程結(jié)束時(shí)密封片擠進(jìn)環(huán)形凹槽的效果越差；擠壓速度越小，密封片材料初始破壞系數(shù)越大，越容易損壞。因此要選擇擠壓速度為0.5 mm/s，密封片成型效果較好。為底排密封片成型工藝的研究提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：底排密封片；成型；擠壓速度；數(shù)值模擬；參數(shù)評(píng)估

中圖分類號(hào)：TJ410.5" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）14-0074-04

Abstract： Aiming at the defects of the bottom row sealing gasket produced by the existing process in the process of storage and use， the cold extrusion process is selected as its forming process， and a reasonable extrusion speed is designed based on simulation. Firstly， the three-dimensional model of the shell structure and the sealing gasket at the bottom of the projectile is established using the Proe drawing software; then， the forming process of the sealing gasket with different extrusion speed is simulated and calculated by the Deform-3D finite element software; and finally， the metal flow diagram， equivalent force diagram and damage value diagram of the sealing gasket are obtained. The simulation results show that in a certain range， the larger the extrusion speed is， the more uncontrollable the process of the sealing piece filling the central annular groove at the bottom of the bottom row shell is， and the worse the effect of the sealing gasket squeezing into the annular groove at the end of the extrusion process is; the smaller the extrusion speed is， the larger the initial failure coefficient of the sealing gasket material is， the easier it is to damage. Therefore， it is necessary to choose the extrusion speed of 0.5 mm/s， the forming effect of the sealing gasket is better. This provides a theoretical reference basis for the research of the forming process of the bottom row sealing gasket.

Keywords： bottom row sealing gasket; forming; extrusion speed; numerical simulation; parameter evaluation

隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，冷擠壓技術(shù)應(yīng)用的范圍更加廣泛[1-2]，越來越多零部件的制作都采用冷擠壓工藝。18世紀(jì)末，法國采用金屬鉛從小孔中擠出的方法對(duì)子彈進(jìn)行了制造，從此冷擠壓技術(shù)開始發(fā)展[3]。在1906年，美國人研究出正擠壓空心杯形坯料，獲得了專利權(quán)[4]。20世紀(jì)50年代末，日本從歐美引進(jìn)了專用的冷擠壓機(jī)，在精密儀器和儀表的制造中開始應(yīng)用這種技術(shù)。此后這項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于諸多先進(jìn)領(lǐng)域，目前已經(jīng)成為重要的工件加工手段之一[5]。

底排結(jié)構(gòu)如圖1所示。底排密封片緊密嵌于底排殼體底部中心氣孔內(nèi)壁環(huán)形凹槽內(nèi)。在存放時(shí)起密封作用，這就要求密封片密閉效果要好；在裝藥點(diǎn)火時(shí)，阻止火藥燃?xì)膺^早進(jìn)入底排殼體內(nèi)，保證底排藥柱壓在下墊板上，使底排處于正確的工作位置中[6]，這就要求在密封片厚度均勻，防止局部提前被沖破，導(dǎo)致火藥燃?xì)庠谒幹c下墊板壓緊前進(jìn)入底排殼體內(nèi)，使藥柱上移撕裂，影響燃燒狀態(tài)。

目前應(yīng)用沖壓工藝，將密封片壓制成型后安裝在氣孔內(nèi)壁凹槽中，但這樣可能會(huì)導(dǎo)致密封效果不好，且沖壓工藝生產(chǎn)過程中噪聲較大[7]。若采用冷擠壓加工，可通過沖頭直接將原料毛坯擠壓進(jìn)凹槽中，完成成型過程。同時(shí)該工藝可大大降低切削加工，原材料利用率達(dá)到80%，因此可在保證密封片性能的前提下節(jié)約成本。但該技術(shù)有一定的局限性，當(dāng)施加的擠壓速度過大時(shí)，密封片擠進(jìn)凹槽效果不佳；當(dāng)擠壓速度過小時(shí)，工件很容易產(chǎn)生皺紋、裂縫等情況[8]，因此需要選擇合理的擠壓速度來達(dá)到更好的成型效果。本文為了研究冷擠壓速度對(duì)彈底密封片成型的影響，使用Deform-3D軟件[9]，通過對(duì)不同擠壓速度進(jìn)行仿真分析，為相關(guān)研究及工業(yè)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1" 結(jié)構(gòu)模型

使用Proe5.0軟件進(jìn)行三維建模，彈底結(jié)構(gòu)圖、彈底結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖及圓柱形底牌密封片毛坯三維模型依次如圖2所示。

將密封片毛坯放置于彈底中心，施加沿軸向的擠壓力，使其產(chǎn)生形變，擠進(jìn)殼體底部中心氣孔內(nèi)壁的環(huán)形凹槽中，形成底排密封片。整體裝配圖如圖3所示。

2" 仿真設(shè)計(jì)

2.1" 仿真方案

擠壓速度的不同對(duì)于冷擠壓技術(shù)成型有著較大影響[10]，根據(jù)不同擠壓速度設(shè)計(jì)3個(gè)仿真方案，具體方案的參數(shù)見表1。密封片毛坯材料選擇鉛黃銅，彈體材料為D60鋼。

2.2" 前處理

具體處理步驟為打開DEFORM Integrated 2D3D→ 設(shè)置路徑→打開前處理界面→點(diǎn)擊加入對(duì)象，并建立4個(gè)全物件→將幾何載入順序依次選擇沖頭、毛坯、底排殼體、底托，溫度皆為20 ℃→對(duì)沖頭設(shè)置工具動(dòng)作，方向?yàn)閆軸，常數(shù)值設(shè)定為0.1 mm/s→選擇毛坯材料后，繪制內(nèi)外網(wǎng)格→設(shè)置模擬控制→設(shè)置對(duì)象間的關(guān)系及摩擦系數(shù)→得出數(shù)據(jù)并生成文檔。

3" 仿真結(jié)果

3.1" 金屬流動(dòng)性

金屬流動(dòng)性可以觀察毛坯各個(gè)位置金屬粒子的動(dòng)向分布，從而觀察擠壓過程中不同時(shí)刻的毛坯狀態(tài)。不同擠壓速度下的金屬粒子流動(dòng)情況如圖4所示。

由圖4可知，擠壓開始后，毛坯受力向下運(yùn)動(dòng)，金屬粒子產(chǎn)生向下的流動(dòng)趨勢(shì)。隨著毛坯繼續(xù)被擠壓，毛坯四周金屬粒子逐漸向環(huán)形凹槽內(nèi)橫向擴(kuò)散，從中心到四周的流動(dòng)也越來越快，直至密封片底部速度基本為零時(shí)，填充過程結(jié)束，環(huán)形凹槽內(nèi)部趨于飽和狀態(tài)。

不同擠壓速度下，擠壓初期金屬流動(dòng)較均勻，擠壓速度越大，圖像顏色越亮，金屬粒子流動(dòng)越快。擠壓過程結(jié)束時(shí)，當(dāng)擠壓速度為0.1 mm/s及0.5 mm/s時(shí)，金屬流動(dòng)狀態(tài)均較均勻；而當(dāng)速度為0.8 mm/s時(shí)，金屬粒子呈高速不規(guī)則散射狀態(tài)，過程可控性及毛坯擠進(jìn)凹槽效果較差，導(dǎo)致密封效果變差。

3.2" 應(yīng)力分布

在冷擠壓工藝過程中，產(chǎn)生的應(yīng)力能否滿足材料的應(yīng)力要求，對(duì)密封片的成型有一定的影響。故在金屬流動(dòng)性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)成型過程的應(yīng)力分布狀況進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖5所示。

圖5中顏色變化代表應(yīng)力分布，可以看出由于毛坯中心受到擠壓，密封片向四周移動(dòng)，接觸凹槽內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生了應(yīng)力，方案一毛坯中心應(yīng)力在220～320 MPa范圍內(nèi)，四周與凹槽接觸位置達(dá)到了400 MPa左右；方案二毛坯四周更大區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到400 MPa以上；方案三毛坯與環(huán)形凹槽相交的應(yīng)力更全面，全部區(qū)域達(dá)到450 MPa以上。由于鉛黃銅抗剪強(qiáng)度在400 MPa，因此擠壓速度過大，即速度達(dá)到0.8 mm/s時(shí)不能滿足密封片強(qiáng)度要求。

3.3" 損傷值

圖6為不同擠壓速度下密封片應(yīng)力集中區(qū)域的損傷值圖。圖6中顏色變化表示損傷值的變化，表征坯料在工藝中出現(xiàn)缺陷的難易程度。毛坯被擠壓成型過程中會(huì)發(fā)生塑性形變，損傷值可以直觀地看出材料在成型過程中的缺陷或損傷，其值越大，說明工件越容易受到破壞。

由圖6可以看出，初始階段毛坯既受到?jīng)_頭的擠壓應(yīng)力，又受到向四周擴(kuò)展而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，所以與環(huán)形凹槽接觸部分變亮。又因?yàn)槊鞯捻g性較好，因此初始階段變形較小，損傷值較小。方案一初始階段破壞系數(shù)在0.2左右，隨著擠壓速度的增加，損傷值逐漸降低，方案二約為0.15，方案三約為0.1。

隨著毛坯擠進(jìn)凹槽，擠進(jìn)部分受到的力逐漸增大，因此密封片四周逐漸變亮，直到成形結(jié)束。此時(shí)凹槽內(nèi)與凹槽外顏色區(qū)別明顯，且擠壓速度越大，顏色越暗。由此說明，適當(dāng)提高擠壓速度可以降低毛坯損傷值，從而提高密封片的成形概率。

4" 結(jié)論

通過改變沖頭擠壓速度進(jìn)行底排密封片冷擠壓仿真模擬，分析結(jié)果得出以下結(jié)論。

1）擠壓速度對(duì)密封片成型有一定的影響。在0.1～0.8 mm/s內(nèi)，擠壓速度過大，毛坯擠進(jìn)凹槽的效果越差，成型過程的可控性越低，且產(chǎn)生的剪切應(yīng)力大于毛坯本身抗剪強(qiáng)度；擠壓速度過小，毛坯損傷值會(huì)提高，從而增大危險(xiǎn)區(qū)域，降低成型幾率。

2）選擇適中的擠壓速度，即方案二，擠壓速度為0.5 mm/s時(shí)，密封片的成型效果最好。

目前初步研究了擠壓速度對(duì)成型的影響，下一步可以在沖頭材料、倒角等方面展開研究。

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